수치 시뮬레이션 결과

반면, 파랑에 의한 부가저항의 경우 해상상태가 극심해질수록 값이 크게 증가하며, 높은 보퍼트 계급에서는 풍 하중보다 훨씬 큰 파랑 하중이 선박에 작용하여 속도 저감량을 결정하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 4.10에 나타나듯이 보퍼트 계급이 높을수록 파랑 스펙트럼에서 에너지가 밀집된 영역이 선박 운동의 공진 영역으로 이동한다. 따라서 극심한 해상상태에서는 큰 유의 파고뿐만 아니라 선박 운동과 관련된 성분의 증가로 인하여 부가저항의 값이 크다.

또한 파장이 길수록 파랑력의 진폭이 크기 때문에, 해상상태가 극심해질수록 파랑력의 시간 구간 평균값인 파랑 표류력은 잘 수렴하지 않고 불규칙한 특성을 보인다.

(a) Calm-water resistance, R(u0)

(b) Wind force, Xwind

(c) Wave drift force, Xwave

Fig. 4.12 Time histories of surge force in course keeping: KVLCC2 tanker, Fn for Vref=0.142, χ=180.0 degree, interval mean of 15Tmean

Fig. 4.13은 환경하중의 입사 방향에 따라 선박의 운항 속도 및

자세를 비교한 것이다. 150도의 방향으로 바람 및 파랑이 입사될 때의 속도 저감량은 선수방향의 경우와 비교하여 그 값이 유사하다.

하지만 환경하중이 선박의 측면에 작용하기 때문에 경로를 유지하기 위하여 조타가 수행된다. 이에 따라 선박의 표류각 및 선수각은 시간에 따라 변화하며, 불규칙 파랑력으로 인하여 특정 범위 내에서 진동하는 경향을 보인다. 일정 시간이 지난 후 선박이

직진 운항할 수 있도록 표류각 및 선수각은 같은 각도의 시간 구간 평균값을 가진다. 환경하중이 120도로 입사될 때, 이러한 경향은 심화되어, 더 큰 선수각 및 표류각 하에 선박은 사항한다.

Fig. 4.14에 나타나듯이 선박에 작용하는 정수 중 저항은 수렴된

운항 속도에 따라 크기가 결정되는 반면, 풍 하중은 입사 방향에 따라 값을 달리 한다. Fig. 4.9의 입사 방향에 따른 전후방향 풍 하중 계수의 변화에 근거하여, 선수방향 및 150도의 입사 방향에서는 풍 하중의 크기가 유사한지만, 120도의 입사 방향에서는 값이 크게 감소한다. 반면, 파랑에 의한 부가저항의 경우 입사 방향과 관계없이 모든 결과가 유사한 범위 내에서 진동하는 것을 확인할 수 있다. 일부 시간 구간에서는 선수파의 경우보다 선수사파 조건에서 파랑력이 더 크다. 이는 Fig. 4.10에 나타나듯이, 선수파 조건 (χ=180.0 degree) 보다 입사 각도가 감소할수록 부가저항 최대값의 위치가 단파 영역으로 이동하기 때문이다. 또한 보퍼트 계급 7의 해상상태에서 파랑 에너지가 밀집된 영역은 단파 영역이다. 따라서 선수사파 조건에서 부가저항 및 파랑 스펙트럼의 최대값이 위치하는 영역이 일치하여, 저항 값이 선수파 조건과 비교하여 더 커질 수도 있다. 결과적으로, 120도로 환경하중이 입사될 때 속도 저감량이 감소하는 이유는 파랑 하중보다는 풍 하중의 감소에 기인한다.

(a) Total speed

(b) Drift angle

(c) Yaw angle

Fig. 4.13 Time histories of total speeds and position in course keeping:

KVLCC2 tanker, Fn for Vref=0.142, Beaufort scale 7

(a) Hull hydrodynamic force, XH

(b) Wind force, Xwind

(c) Wave drift force, Xwave

Fig. 4.14 Time histories of surge force in course keeping: KVLCC2 tanker, Fn for Vref=0.142, Beaufort scale 7, interval mean of 15Tmean

Fig. 4.15는 대표 해상상태에서 직진 운항하는 선박의 기상보정계수 및 표류각을 다양한 입사 방향에 따라 나타낸 것이다.

일반적으로 기상보정계수 값은 선수방향의 경우에 가장 작고 입사 각도가 감소할수록 증가한다. 60도 이하의 입사 방향에서는 해상상태의 극심한 정도와 관계없이 환경하중에 의한 속도 저감이 거의 발생하지 않는다. 보퍼트 계급이 낮을 때는 150~180도의 입사 방향에 대하여 속도 저감량이 유사하다. 하지만 계급이 높아질수록 선수방향 및 150도의 입사 방향에 대한 기상보정계수 간에 차이가 증가한다. 한편, 표류각의 경우 120도의 입사 방향에서 최대값을 가지며 입사 방향이 선수 및 선미방향에 가까울수록 값이 감소한다.

이를 통해 120도의 입사 방향에 대하여 가장 큰 선수방향 모멘트가 대상 선박에 작용함을 추론할 수 있다.

(a) Weather factor, fw=Vw/Vref

(b) Drift angle

Fig. 4.15 Converged mean speed loss and drift angle in course keeping in winds and irregular waves: KVLCC2 tanker, Fn for Vref=0.142

앞서 설명하였듯이, 해상상태가 극심해질수록 파랑에 의한 부가저항이 기상보정계수 값에 지배적인 영향을 끼친다. Fig. 4.16은 불규칙 파랑 중 선박의 운동을 고려하여 입사 파랑의 상대 유의 파고 (ζI-(ξ3+ξ4y-ξ5x))를 나타낸 것이다. 이 값은 파랑 표류력 계산에서 수선 적분항의 크기를 결정하므로, 각각의 환경조건에 대하여 부가저항의 크기를 대략적으로 평가하는 척도로 활용될 수 있다. 낮은 보퍼트 계급에서는 선수 및 선수사파 조건에 대한 상대 유의 파고의 크기가 유사하다. 하지만 극심한 해상상태에서는 입사 방향이 선수방향에 가까울수록 유의 파고의 크기가 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 선수파 조건 (χ=180.0 degree) 보다 입사 각도가 감소하면 선박 운동의 공진 영역이 단파 영역으로 이동하는 반면,

보퍼트 계급이 높을수록 파랑 에너지가 밀집된 영역이 장파 영역으로 이동하기 때문이다. 결과적으로, 해상상태가 극심해질수록 선수파 조건에서 부가저항 및 그에 따른 속도 저감량이 가장 크다.

Fig. 4.16 Significant relative incident wave height in course keeping in winds and irregular waves: KVLCC2 tanker, Fn for Vref=0.142

마지막으로 대표해상상태를 운항하는 선박의 속도 저감량에 대하여, 기존 연구의 추정식을 통해 계산한 결과와 본 연구의 자유항주 시뮬레이션 기법을 통해 얻은 결과를 비교하였다. 속도 저감량 추정을 위하여 도입한 Aertssen (1975)의 방법은 다음과 같다.